113 年 國立臺灣大學土木系碩士班營建管理組《土木建築施工》

本題為綜合題，共包含四個小題，分別考察淨零碳排在建築施工的應用、品管手法應用、特定橋梁施工工法，以及捷運地下隧道施工工法。

一、建築物結構體減少碳排的措施 (25分)

淨零碳排 (Net Zero Emissions) 是當前建築與營建產業的關鍵目標。減少建築物結構體碳排，可從設計面與施工面雙管齊下。

設計面措施：

1. 材料選擇與設計：

   • 低碳混凝土： 使用低碳水泥（如卜特蘭水泥掺料，如飛灰、爐碴）取代部分卜特蘭水泥，或採用水泥含量較低的混凝土配比。
   • 再生材料應用： 採用再生鋼筋、再生骨材，或使用竹材、再生塑膠等替代建材。
   • 結構系統優化： 選擇更有效率的結構系統，例如預力混凝土、鋼結構，或組合結構，以減少材料使用量。高強度鋼材與混凝土的應用，也能達成減量目標。
   • 模組化與預鑄化設計： 於設計階段考量預鑄構件的標準化與模組化，減少現場施工浪費及碳排放。
   • 壽命週期評估 (LCA)： 在設計初期導入 LCA，評估不同設計方案在材料生產、運輸、施工、使用及拆除階段的總碳排放，選擇碳足跡最低的方案。

2. 結構效率提升：

   • 結構分析優化： 透過精確的結構分析，避免過度設計，僅保留結構安全所需的最小材料量。
   • 空間配置優化： 合理的空間規劃，減少不必要的結構跨距與體積。

3. 建築生命週期考量：

   • 可拆解性與可回收性設計： 設計時考量未來拆除與回收的便利性，有利於材料再利用。
   • 耐久性設計： 提高結構構件的耐久性，延長建築物壽命，減少翻新與重建的碳排放。

施工面措施：

1. 材料生產與運輸：

   • 在地材料採購： 優先選用在地生產的建材，減少運輸距離與相關碳排放。
   • 綠色運輸： 採用低碳運輸工具（如電動卡車、鐵路運輸），或優化運輸路線與載運效率。

2. 施工方法與節能：

   • 預鑄化施工： 增加預鑄構件的使用比例，減少現場施工時間、材料浪費及能源消耗。
   • 節能施工機具： 使用節能或電動化的施工機具，並定期維護確保效率。
   • 施工廢棄物管理： 實施嚴格的廢棄物分類、回收與再利用計畫，減少掩埋或焚燒的碳排放。
   • 節水措施： 減少施工用水，並妥善處理施工廢水。
   • 模板與支撐系統優化： 採用可重複使用或輕量化的模板系統，減少材料消耗。

3. 監測與管理：

   • 碳足跡監測： 在施工過程中，建立碳足跡監測機制，追蹤主要建材與工序的碳排放量，並進行改善。
   • 施工計畫優化： 透過精確的施工計畫，減少工期延誤，進而降低能源消耗與碳排放。

二、都會區建築物基礎開挖引起周邊建築物地層下陷的原因 (特性要因圖法) (25分)

品管七大手法中的特性要因圖法 (Cause-and-Effect Diagram)，又稱魚骨圖 (Fishbone Diagram)，用於分析問題的潛在原因。針對「都會區建築物基礎開挖作業時引起周邊建築物地層下陷」此問題，可列出以下魚骨圖的分析：

主幹 (問題)： 都會區建築物基礎開挖引起周邊建築物地層下陷

大骨 (主要要因類別)：

1. 地質與水文 (Geology & Hydrology)
2. 開挖與支撐系統 (Excavation & Support System)
3. 施工方法與程序 (Construction Method & Procedure)
4. 周邊環境與建築物 (Surrounding Environment & Structures)
5. 監測與管理 (Monitoring & Management)

小骨 (具體原因)：

• 1. 地質與水文：

  • 地層含水量高，易產生滲流與孔隙水壓力變化。
  • 地層土壤顆粒細小，滲透性低（如黏土層），但飽和時強度低。
  • 地下水位高，抽水時易影響周圍地下水位。
  • 存在軟弱土層或流砂層，穩定性差。
  • 地下水流動方向與速度未被準確掌握。

• 2. 開挖與支撐系統：

  • 擋土壁設計不當（如擋土牆高度不足、鋼板樁深度不夠）。
  • 擋土壁施工品質不良（如接縫滲漏、壁體變形）。
  • 支撐系統（如斜撐、水平梁）強度不足或佈置不當。
  • 支撐系統預壓不足或未依計畫施作。
  • 地下連續壁或擋土牆滲漏嚴重，導致地下水大量流入。
  • 擋土壁或支撐系統的變形超出設計允許範圍。

• 3. 施工方法與程序：

  • 開挖速度過快，未給予支撐系統足夠的反應時間。
  • 分層開挖深度過大，超過擋土結構能承受的範圍。
  • 開挖時未確實排除積水，導致土體壓力增加。
  • 抽水時流量過大或抽水點位置不當，造成周圍地下水位大幅下降。
  • 回填不實或不當，導致土體沉降。
  • 基坑內有不當之施工載重。

• 4. 周邊環境與建築物：

  • 周邊建築物基礎深度較淺，易受影響。
  • 周邊建築物本身結構強度不足或有潛在龜裂。
  • 周邊道路、管線等地下結構物未妥善保護。
  • 周邊地表排水系統不良，積水滲入基坑。

• 5. 監測與管理：

  • 監測儀器佈設不足或失效（如地表沉陷儀、孔隙水壓力計、傾斜儀）。
  • 監測數據判讀錯誤或警報值設定不當。
  • 未依監測數據即時調整施工計畫與對策。
  • 施工團隊對潛在風險認知不足，安全管理鬆散。
  • 缺乏有效的應變計畫。

三、節塊推進工法 (Incremental Launching Method) 鋼結構斜張橋施工程序與措施 (25分)

節塊推進工法 (Incremental Launching Method, ILM)，又稱頂推工法，是一種將橋梁節塊在橋臺後方的預鑄場預鑄完成，然後利用千斤頂等設備，將節塊逐節向前推進至橋墩上的施工方法。此工法適用於跨越公路、河流、山谷等無法或不便設置橋墩的地點。

施工程序與示意圖：

1. 橋墩與橋臺建造：

   • 首先，在預定位置建造橋墩 (Piers) 及橋臺 (Abutments)。橋墩需設有與節塊推進方向平行的軌道或滑槽，供節塊滑動。橋臺後方則設置預鑄節塊的場地。
   • 示意圖：橋墩與橋臺建立，橋墩頂部有推進軌道。

2. 節塊預鑄：

   • 在橋臺後方的預鑄場，利用模板將鋼結構斜張橋的節塊 (Segments) 逐一預鑄完成。每個節塊的大小需考量運輸、推進能力及結構需求。
   • 示意圖：預鑄場內，鋼結構節塊正在製造。

3. 節塊組裝與推進準備：

   • 預鑄完成的節塊在預鑄場端頭連接，形成一個連續的推進單元。在節塊與節塊之間、節塊與橋墩之間，施加潤滑劑或安裝滾輪/滑槽，以減少摩擦力。
   • 示意圖：預鑄場端頭，節塊連接成推進體，下方有滑軌。

4. 節塊推進：

   • 利用橋臺後方的推進設備（通常是油壓千斤頂），施力於最後一個節塊，將整個節塊單元向前推動。
   • 節塊沿著橋墩頂部的軌道或滑槽滑動，逐步跨越橋墩。
   • 示意圖：千斤頂推動最後一個節塊，鋼結構懸臂向前延伸。

5. 節塊連接與暫時支撐：

   • 當節塊推進到橋墩上方時，利用臨時支撐系統（如吊籃、臨時墩柱）將節塊暫時固定。
   • 節塊之間利用高強度螺栓或焊接連接，並進行永久性的結構連接。
   • 示意圖：節塊抵達橋墩，被臨時支撐固定，並進行節塊間的連接。

6. 斜張索安裝與預應力施加：

   • 當節塊推進至一定階段，或橋面結構完成後，開始安裝斜張索 (Stay Cables)。
   • 根據設計要求，對斜張索施加預應力，平衡橋面結構的重量，並確保結構穩定。
   • 示意圖：斜張索從 Pylon (塔架) 延伸至橋面節塊，並進行張拉。

7. 橋面鋪築與完成：

   • 完成鋼結構主體及斜張索系統後，進行橋面鋪築、護欄、照明等附屬工程。
   • 示意圖：橋面完成，結構整體呈現。

各階段應有的施工措施：

• 橋墩與橋臺建造：

  • 確保基礎穩定，承載能力足夠。
  • 橋墩頂部推進軌道需精確定位、調平，並具備足夠的強度承受推進時的載荷與摩擦。
  • 若為斜張橋，需預留 Pylon (塔架) 的基礎與結構。

• 節塊預鑄：

  • 預鑄場地需平整、穩定，並有足夠的空間。
  • 模板尺寸精度要求高，鋼筋綁紮正確。
  • 混凝土品質控制嚴格，養護充分。
  • 預鑄完成的節塊需妥善堆放與保護，避免變形或損壞。

• 節塊組裝與推進準備：

  • 節塊連接處的表面處理需平整，減少摩擦。
  • 推進軌道或滑槽的潤滑或滾輪系統需有效，確保推進順暢。
  • 推進設備（千斤頂）的噸位、行程、同步性需符合要求。

• 節塊推進：

  • 推進速度需緩慢且穩定，避免衝擊。
  • 需監測推進力、推進距離、節塊的水平與垂直變位。
  • 當節塊懸臂長度過大時，需評估其穩定性，必要時進行臨時加固或調整推進策略。
  • 確保推進時，節塊與橋墩的接觸面順暢，避免卡滯。

• 節塊連接與暫時支撐：

  • 節塊連接處的對接精度要求高，確保應力傳遞順暢。
  • 臨時支撐系統需安全可靠，能在推進過程中提供足夠支撐。
  • 永久性連接（螺栓、焊接）的施工品質需嚴格把關。

• 斜張索安裝與預應力施加：

  • 斜張索的安裝位置、角度需精確。
  • 張拉過程需分階段、對稱進行，並嚴格監測索力。
  • 需計算並控制橋面在不同推進階段及斜張索張拉後的內力與變位。

• 整體安全管理：

  • 嚴格執行施工計畫，確保各工序銜接順暢。
  • 加強現場安全巡查，特別是高空作業、推進過程中的安全防護。